高速光通信系统中的色散补偿

1．前言

    随着光传输系统中的传输速率的提高和信号传输带宽的增加，色散问题日益显著。已经铺设的常规光纤规G.652线路的零色散点位于1310nm，在1550 nm处时则具有较大的色散系数(17ps/nm/km)，光脉冲信号经过长途传输后，由于光纤色散值的积累引起脉冲展宽，导致严重的码间串扰，使得接收端产生误码现象，从而使传输特性变坏。光纤色散补偿技术的研究，对提高目前已经铺设的常规光纤通信系统的容量具有尤其重要的意义。

    色散补偿器对于推动全光网络架构起着决定性作用，发展高速全光网络的一个先决条件是必须做到光层面的色散监控与管理。色散补偿器件在高速传输系统及下一代智能光网络中有着广泛应用。

2. 技术方案简介
  
    目前商用的光学色散补偿模块，包含固定色散补偿和可调色散补偿两大类，分别是基于色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、GT标准具这三种技术方案。

2.1 色散补偿光纤

    色散补偿光纤是利用基模波导来获得高的负色散值，通过改变光纤的芯径、掺杂浓度等结构参数，使零色散波长移至大于1550nm波长的位置，于是在1550nm处得到较大的负色散系数，通常在-50~-200ps/nm/km。为了得到高的负色散值系数，必须减小光纤芯径，增加相对折射率差，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0.5~1dB/km)。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的补偿光纤。该光纤的特点是色散斜率之比与常规光纤相同，但符号相反，所以更适合在整个波形内的均衡补偿。

    色散补偿光纤已经在全世界的高速通信系统中得到了广泛应用，许多传输系统都是通过DCF+G.652光纤实现的，具有无群时延抖动，全波段连续补偿,能够从100GHz间隔系统平滑升级到50GHz间隔系统等优点，但存在损耗大、光脉冲延迟高、非线性效应以及模块尺寸大等缺点。

2.2 啁啾光纤光栅

    啁啾通常是指一种频率变化的现象。如果光纤光栅的周期沿长度方向发生一定变化，则其频率沿长度方向也会发生一定变化，即发生了啁啾，称这种光栅为啁啾光纤光栅。啁啾可以是线性的，也可以是非线性的。

    当光脉冲信号通过图1总长度为L的啁啾光栅（周期由大到小）时，信号的长、短波长分量分别在光纤的头、尾部反射，则短波分量比长波分量多走了2L的路程，从而补偿了由群速度不同而导致的色散，起到压缩由于光纤传输所导致的光脉冲展宽的作用。
 
    对于10Gb/s及其以上的系统，系统商开始选择啁啾光纤光栅进行色散补偿。特点是插入损耗很小，且损耗与补偿距离无关，几乎不受光纤非线性影响，对光信号的延迟非常低，模块体积小且成本低。
 

                          图 1 啁啾光栅色散补偿原理

2.3 GT标准具

    基于GT标准具技术的色散补偿模块，其核心元件GT标准具是由两个平行反射镜构成，前一片是低反镜，后一片是全反镜，镜片之间的介质折射率小于反射镜的折射率。GT标准具使光信号中不同的光谱分量所传输的光程不同，产生周期性的色散效果。当该色散周期与信道间隔匹配时，该方案可同时补偿所有DWDM信道的色散。采用单级GT标准具，色散补偿范围和工作带宽有限。通过多个GT标准具级联，参见图2中的配置，结合标准具内光学介质的热光效应，通过加热器改变温度，精确控制每个标准具群时延曲线的峰值波长位置，不仅实现大范围的色散量调节，同时也拓宽了通道工作带宽，可用于系统的可调色散补偿。
 

                     图 2 级联型GT标准具
 

                        图 3 级联型GT标准具工作原理

2.4 技术方案对比
    表1对以上三种技术优缺点进行了对比，从图4和图5中插入损耗和延迟这两项指标的比较，我们发现啁啾光纤光栅具有插入损耗低和低传输延迟特征。
 

表 1 色散补偿技术方案对比
 

                      图 4 各类方案插入损耗指标对比
 

               图 5 各类方案的延迟对比

3. 高速光通信系统中的色散补偿

    高速光通信系统中的色散管理复杂，不同类型的传输系统对色散补偿有不同的要求，可参见表2（仅列出了部分应用） ,结合表1 我们发现现有的色散补偿技术都无法全面满足各类系统要求，实际应用当中需要具体分析系统色散特点，采用多种色散补偿技术相结合的方式
 

             表 2 高速光通信各类应用对色散补偿要求

    对于超长距离传输应用，由于啁啾光纤光栅和GT标准具存在着群时延抖动，当器件级联后，会给系统带来传输代价，此时首选色散补偿光纤技术，由于色散补偿光纤无法100%补偿色散斜率，同时也要考虑在接收端进行通道间残余色散补偿。

    对于海底光缆传输系统，为了减少超长距离传输带来的色散累积问题，传输光缆采用的是不同类型的光纤混合配置，或者采用低色散系数光纤，在接收端由于传输光纤色散斜率的原因，参见图6，中间信道的色散能够得到完全补偿，两边的信道残余色散高达+/-4000ps/nm，参见图7，在接收端只能采用啁啾光栅的技术方案进行通道间残余色散补偿。
 

             图 6 海缆传输接收端残余色散
 

        图 7 利用啁啾光纤光栅对海缆传输的残余色散进行补偿

    对于40Gb/s高速光通信系统，他们的色散补偿具有精确性及时变性的特点。第一，由于系统色散容限与信号速率的平方成正比，40Gb/s系统的色散容限仅为50ps/nm左右。因此在系统当中，必须使用色散补偿技术在接收端对每个信道信号的残余色散进行精确补偿，确保在接收机工作在色散容限范围内。第二，在实际应用当中同时还要考虑到传输系统器件的老化、长途传输线路受到沿途气候影响、运行环境的改变等众多因素，它们可能使信道中的色散随时间改变，这就要求系统在接收端对色散补偿后的信号进行残余色散的检测，需要采用基于啁啾光纤光栅或者GT标准具的可调色散补偿模块。

    另外，随着运营商对网络的动态可重构性要求日益增长，可重构光分插复用、光交叉设备逐渐实用化。可重构性网络存在着网络管理等一系列待以解决的问题，其中就包括如何对网络进行色散管理。可重构性网络中的波长信道有可能是来自远端节点．也有可能是来自近距离的节点，信号在特定点的色散补偿量随着网络配置变化而变化，这种应用下需要大调节范围的可调色散补偿器。

4. 色散补偿产品介绍

    武汉光迅科技股份有限责任公司的光学色散补偿模块，分为固定型色散补偿和可调型色散补偿两大类，产品已经通过Telcordia 1209/1221可靠性试验，产品符合RoHS要求，除了常规指标，可以根据客户需求进行定制，满足传输系统的各项要求。目前已经提供国内各大系统厂商使用。
 

                   图 8 光迅科技的色散补偿产品
 

                         图 9 各类产品简介